(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管の内部に一対の電極が対向配置されたロングアーク型のメタルハライドランプと、このメタルハライドランプに給電する給電装置とを備えたランプ装置において、
前記給電装置は、前記メタルハライドランプに対して、定格電力を供給するフル点灯モードと、定格電力の７０％以下の電力を供給するスタンバイ点灯モードとを切り替えて前記メタルハライドランプを点灯する機能を有し、前記スタンバイ点灯モードにおいては、前記電極の先端部の基部の軸方向に垂直な断面における電流密度が０．８〜６．０Ａ／ｍｍ2 の範囲内となるよう制御された条件で、前記メタルハライドランプに給電することを特徴とするランプ装置。
【請求項２】
前記給電装置は、スタンバイ点灯モードからフル点灯モードに移行するまでに要する時間が０．８秒間以上となる条件で、前記メタルハライドランプに給電することを特徴とする請求項１に記載のランプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体、液晶等の露光装置用光源に用いられるロングアーク型のメタルハライドランプを備えたランプ装置に関し、特に、ロングアーク型のメタルハライドランプが、定格条件で点灯されるフル点灯モードと、定格条件より低い入力電力で点灯されるスタンバイ点灯モードとが切り替えられて間欠的に点灯されるランプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、例えば接着剤などの樹脂の硬化処理やプリント基板などの露光処理においては、紫外線照射装置が利用されており、かかる紫外線照射装置のある種のものにおける紫外線光源としては、メタルハライドランプが用いられている。このようなメタルハライドランプとしては、例えば、直管状の発光管を備えてなり、当該発光管の内部に、一対の棒状の電極が対向して配置されると共に、水銀、金属ハロゲン化物、希ガスが封入された内管と、内管が内部に配置された状態で設けられた外管とにより構成された二重管構造とされている（特許文献１参照。）。また、このような金属蒸気放電ランプにおいては、通常は、放電しやすくするために、図４に示すように、電極７０を構成する電極芯棒７１の先端部に二重あるいは三重の電極コイル７２を設けた構造を有している。
このようなメタルハライドランプを備えたランプ装置においては、メタルハライドランプを、冷却ジャケットの内部に配置し、外管の壁面に沿って冷却媒体を流過させる構成とされている。
【０００３】
このようなランプ装置は、例えば半導体等の露光装置用光源として使用される場合には、処理中以外のワーク入れ替えなどの待機中は、節電のため、ランプに投入する入力電力（待機電力）を、処理中のフル点灯モード時の入力電力より下げて点灯する（スタンバイ点灯モード）ことが行われている。待機電力は低ければ低いほど節電効果が大きいことから、待機電力の低電力化が望まれているが、スタンバイ点灯モードにおける待機電力を下げ過ぎると、スタンバイ点灯モードからフル点灯モードへ移行するときの立ち上がり時間が遅くなることや、放電が維持できなくなり立ち切れしてしまうといった問題が生じるため、待機電力は、例えばフル点灯モード時の入力電力の７０％から３０％程度の大きさとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１０４８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ロングアーク型のメタルハライドランプが間欠点灯されて使用される場合には、発光管の電極近傍の内表面に白濁が発生しやすく、メタルハライドランプの点灯時間が長くなるに従って発光管における白濁が進行し、ひいては、白濁が生じた部分においてクラックが発生してランプが破損に至るという問題が発生することが判明した。また、このような問題は、スタンバイ点灯モードからフル点灯モードに切り替えるときに特に発生しやすいことが確認された。
【０００６】
本発明者らは、上記問題が生ずる原因が、点灯モードを切り替えることによって電極の温度が急激に変化し、これにより電極が損耗しやすくなることにあると考え、鋭意研究を重ねた結果、ランプへの電流の供給の仕方を考慮することにより電極へのダメージを軽減できることを見出した。
【０００７】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであって、定格条件で点灯されるフル点灯モードと、定格条件より低い入力電力で点灯されるスタンバイ点灯モードとが切り替えられて点灯されるロングアーク型のメタルハライドランプに、長い使用寿命が得られるランプ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のランプ装置は、発光管の内部に一対の電極が対向配置されたロングアーク型のメタルハライドランプと、このメタルハライドランプに給電する給電装置とを備えたランプ装置において、
前記給電装置は、前記メタルハライドランプに対して、定格電力を供給するフル点灯モードと、定格電力の７０％以下の電力を供給するスタンバイ点灯モードとを切り替えて前記メタルハライドランプを点灯する機能を有し、前記スタンバイ点灯モードにおいては、前記電極の先端部の基部の軸方向に垂直な断面における電流密度が０．８〜６．０Ａ／ｍｍ2 の範囲内となるよう制御された条件で、前記メタルハライドランプに給電することを特徴とする。
【０００９】
本発明のランプ装置においては、前記給電装置が、スタンバイ点灯モードからフル点灯モードに移行するまでに要する時間が０．８秒間以上となる条件で、メタルハライドランプに給電する構成とされていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のランプ装置によれば、給電装置によって、スタンバイ点灯モードにおける電流密度が特定の大きさに制御された条件で、ロングアーク型のメタルハライドランプに給電される構成とされていることにより、スタンバイ点灯モードによる点灯時に電極近傍の最冷点に濃縮された封入物と電極構成物質とが反応し蒸発することによって発光管に白濁が生ずることを抑制することができ、メタルハライドランプに長い使用寿命を得ることができる。
また、給電装置が、スタンバイ点灯モードからフル点灯モードに移行するまでに要する時間が０．８秒間以上となる条件で、ロングアーク型のメタルハライドランプに給電する構成とされていることにより、点灯モードの切り替えに伴う電極の急激な温度上昇を確実に抑制することができるので、上記効果を一層確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のランプ装置の一例における構成の概略を示すブロック図である。
【図２】本発明のランプ装置に係るメタルハライドランプの一例における構成の概略を示す、発光管の管軸に沿った断面図である。
【図３】図２における破線の円で示されたＡ部の拡大図である。
【図４】従来におけるメタルハライドランプの一例における構成の一部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明のランプ装置の一例における構成の概略を示すブロック図、図２は、本発明のランプ装置に係るメタルハライドランプの一例における構成の概略を示す、発光管の管軸に沿った断面図、図３は、図２における破線の円で示されたＡ部の拡大図である。  このランプ装置は、ロングアーク型のメタルハライドランプ１０と、ランプ点灯時において、メタルハライドランプ１０を冷却する冷却機構３０と、メタルハライドランプ１０に給電する給電装置４０を備えている。
【００１３】
メタルハライドランプ１０は、両端が封止された、例えば石英ガラスからなる直管状の発光管１２の内部に、各々例えばタングステンからなる一対の棒状の電極１５が対向配置され、各電極１５が発光管１２に形成されたロッド状の封止部１３に気密に埋設された例えばモリブデンからなる金属箔１８を介して封止部１３の外端より軸方向外方に突出して伸びる外部リード１９に電気的に接続されてなる、全体が棒状の内管１１と、この内管１１が内部に配置された、例えば石英ガラスからなる直管状の外管２０とにより構成された二重管構造とされている。
発光管１２における封止部１３は、例えば、発光管１２の構成材料であるパイプ体における両端部を溶融状態にして内部を減圧するシュリンクシール法により形成されたものであり、発光管１２の中央部１４（発光領域に相当する部分）より小径とされている。ここに、発光管１２の内径は、例えば２〜１０ｍｍである。
【００１４】
このメタルハライドランプ１０における発光管１２の内部には、例えば１ｍｇ／ｍｍ3 以上の水銀、あるいは水銀と共に鉄、コバルト、ニッケル、鉛、ガリウム、マグネシウム、錫、タリウム、マンガン等の金属ハロゲン化物のうち少なくとも一種類以上が添加、封入されると共にアルゴンガスなどの希ガスが適宜の量で封入されている。そして、例えば波長が２００〜４５０ｎｍの紫外線を含む光を放射する。金属ハロゲン化物の封入量は、例えば０．５×１０-6〜５×１０-6ｍｏｌ／ｍｍ3 である。
【００１５】
各々の電極１５は、例えば円柱状の先端部１６Ａおよびこの先端部の後端に連続して軸方向に伸びる当該先端部より外径の小さい軸部１６Ｂとにより構成された電極芯棒１６と、電極芯棒１６の先端部１６Ａにおける基部に設けられた電極コイル１７とにより構成されており、電極コイル１７の周面は軸方向の全長にわたって発光管１２の内周面が密接または近接している。ここに、電極１５の先端部１６Ａの外径ｄは、例えば０．９２〜２．８ｍｍ、好ましくは１．１〜２．６ｍｍである。
【００１６】
発光管１２と外管２０は、外部リード１９に設けられたベース２５を介して接着剤２６により固定されており、発光管１２と外管２０との間の空隙Ｋには、空気層または適宜のガスによるガス層が形成されている。
発光管１２は、発光領域に相当する中央部１４において外管２０に近接すると共に封止部１３において外管２０と離間している。そのため、メタルハライドランプ１０の発光管１２の中央部１４が、後述する冷却媒体により十分に冷却されて、過熱による発光管１２の破損が確実に防止される。さらに、メタルハライドランプ１０の発光管１２の封止部１３において、冷却作用が弱められるので、過冷却されることが確実に防止されて、封入物の未蒸発に起因する照度低下が防止される。
【００１７】
冷却機構３０は、内部にメタルハライドランプ１０が挿通状態で配置されて、ランプ点灯時においてメタルハライドランプ１０を冷却する冷却水などの冷却媒体Ｗが外管２０の壁面に沿って流過される循環流路を区画する円筒状の冷却ジャケット３１と、冷却媒体Ｗを供給する冷却チラー３５とを備えている。冷却ジャケット３１は、メタルハライドランプ１０から放射される紫外線を透過する材料、例えば石英ガラスよりなる。
メタルハライドランプ１０の外管２０の外周面と冷却ジャケット３１の内周面との間に形成される環状空隙（循環流路）は、幅が例えば２ｍｍであり、冷却媒体Ｗの流量は、例えば５Ｌ（リットル）／ｍｉｎである。
【００１８】
給電装置４０は、直流電圧が供給される昇圧整流回路４１と、昇圧整流回路４１の出力側に接続された、直流電圧を交流電圧に変換させてメタルハライドランプ１０に供給するフルブリッジ型インバータ回路５０と、フルブリッジ型インバータ回路５０とメタルハライドランプ１０との間でメタルハライドランプ１０に直列接続されたコイルＬ1 、スターターコイルＬ2 およびスタータ回路５５と、フルブリッジ型インバータ回路５０のスイチング素子（例えばＩＧＢＴなど）Ｑ1 〜Ｑ4 の駆動を制御する制御回路６０とにより構成されている。
【００１９】
昇圧整流回路４１は、交流電源４５により供給される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路４２と、整流回路４２によって得られる直流電圧を昇圧する昇圧チョッパー回路４３とにより構成されている。整流回路４２は、交流電源４５に接続された、昇圧トランスＴ1 、ブリッジ状に接続された整流ダイオードＤ1 、平滑コンデンサＣ1 により構成されており、昇圧チョッパー回路は、コイルＬ3 、スイッチング素子Ｓ1 、ダイオードＤ2 、コンデンサＣ2 により構成されている。昇圧チョッパー回路４３を構成する例えばＩＧＢＴやＦＥＴなどからなるスイッチング素子Ｓ1 には、制御回路４８が接続されており、スイッチング素子Ｓ1 のスイッチング周波数およびＯＮ、ＯＦＦ期間を変化させることにより、所望の電圧を供給できるよう構成されている。
【００２０】
フルブリッジ型インバータ回路５０は、ブリッジ状に接続された、例えばＩＧＢＴやＦＥＴなどのスイッチング素子Ｑ1 〜Ｑ4 により構成されている。フルブリッジ型インバータ回路５０のスイッチング素子Ｑ1 〜Ｑ4 のＯＮ、ＯＦＦは、図示しないドライバ回路によって駆動される。フルフルブリッジ型インバータ回路５０の動作は、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ4 とスイッチング素子Ｑ2 、Ｑ3 を交互にＯＮ，ＯＦＦを繰り返す。スイッチング素子Ｑ2 、Ｑ3 がＯＮするときは、昇圧整流回路４１、スイッチング素子Ｑ3 、コイルＬ1 、スターターコイルＬ2 、メタルハライドランプ１０、スイッチング素子Ｑ2 、昇圧整流回路４１の経路でメタルハライドランプ１０に対して交流矩形波電流が供給される。  一方、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ4 がＯＮするときは、昇圧整流回路４１、スイッチング素子Ｑ1 、メタルハライドランプ１０、スターターコイルＬ2 、コイルＬ1 、スイッチング素子Ｑ4 、昇圧整流回路４１の経路でメタルハライドランプ１０に対して交流矩形波電流が供給される。
【００２１】
而して、上記のランプ装置における給電装置４０は、メタルハライドランプ１０に対して定格電力を供給するフル点灯モードと、定格電力の３０％以上、７０％以下の電力を供給するスタンバイ点灯モードとを切り替えてメタルハライドランプ１０を点灯する機能を有し、スタンバイ点灯モードにおいては、メタルハライドランプ１０を構成する電極１５の先端部１６Ａにおける基部の軸方向に垂直な断面における電流密度が０．８〜６．０Ａ／ｍｍ2 の範囲内、より好ましくは、電流密度が０．９〜５．０Ａ／ｍｍ2 の範囲内となるよう制御された条件で、メタルハライドランプ１０に給電する。
【００２２】
この給電装置４０は、スタンバイ点灯モードからフル点灯モードに移行するまでに要する時間が０．８秒間以上となる条件、より好ましくは５〜６０秒間となる条件で、メタルハライドランプ１０に給電する構成とされていることが好ましい。この理由は次に示す通りである。例えば、スタンバイ点灯モードにおいては、電極１５の先端部１６Ａ近傍が電流密度が最も高い状態となっており、スタンバイ点灯モードからフル点灯モードに切り替えられることにより電極１５の温度が急激に上昇されると電極１５の先端部１６Ａの損耗が激しくなるが、点灯モードの切り替えに要する時間を適正に制御することにより、電極１５の急激な温度変化が抑制されて電極１５へのダメージを確実に低減することができる。
また、フル点灯モードからスタンバイ点灯モードに移行するまでに要する時間が、例えば０．８〜６０秒間となる条件で、メタルハライドランプ１０に給電する構成とされていることが好ましい。フル点灯モードからスタンバイ点灯モードに点灯モードが切り替えられることにより電極１５の温度が急激に低下されると封入物（金属ハロゲン化物）が析出しやすくなるが、点灯モードの切り替えに要する時間を適正に制御することにより、電極１５の急激な温度変化が抑制されて封入物が析出することによる発光管１２の白濁が生ずることを抑制することができる。
点灯モードの切り替えに要する時間の制御は、給電装置４０における制御回路４８によって、スタンバイ点灯モードにおける入力電力を供給するための周波数からフル点灯モードにおける入力電力（定格電力）を供給するための周波数までの変化時間を制御することにより行うことができる。
【００２３】
而して、上記のランプ装置によれば、スタンバイ点灯モードにおいては、メタルハライドランプ１０を構成する電極１５の先端部１６Ａにおける基部の軸方向に垂直な断面における電流密度が特定の大きさとなるよう制御された条件で、メタルハライドランプ１０に給電する構成とされていることにより、メタルハライドランプ１０の点灯モードが切り替えられることによる電極１５の急激な温度変化が生ずることを抑制することができるので、スタンバイ点灯モードによる点灯時に電極１５近傍の最冷点に濃縮された封入物と電極構成物質とが反応し蒸発することによって発光管１２に白濁が生ずることを確実に抑制することができ、メタルハライドランプ１０に長い使用寿命を得ることができる。
また、給電装置４０が、スタンバイ点灯モードからフル点灯モードに移行するまでに要する時間が０．８秒間以上となる条件で、メタルハライドランプ１０に給電する構成とされていることにより、点灯モードの切り替えに伴う電極１５の急激な温度上昇を確実に抑制することができるので、上記効果を一層確実に得ることができる。
【００２４】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
＜実験例１＞
図１乃至図３に示す構成に従って、ランプ装置を作製した。このランプ装置に係るメタルハライドランプ（１０）の仕様は次に示すとおりである。
発光管（１２）：石英ガラス製、中央部の内径φ４．６ｍｍ、中央部の外径φ１０．３ｍｍ、封止部の外径φ６ｍｍ、全長が５０６ｍｍ、
外管（２０）：石英ガラス製、内径φ１０．４５ｍｍ、外径φ１３ｍｍ、
電極（１５）：タングステン製、電極間距離５００ｍｍ、放電空間内に位置される電極部分の長さ３ｍｍ、先端部（１６Ａ）の外径φ１．４ｍｍ、
封入物：水銀；２．４ｍｇ／ｍｍ3 、ＦｅＩ2 （金属ハロゲン化物）；４５ｍｇ／ｍｍ3 、ＴｌＩ（金属ハロゲン化物）；０．０６ｍｇ／ｍｍ3 、キセノンガス；５０Ｔｏｒｒ、
フル点灯モード（定格条件）：定格電圧；２０００Ｖ、定格電流；７Ａ、入力電力；１５ｋＷ、
【００２５】
スタンバイ点灯モードにおける点灯条件を、入力電流が４Ａ、入力電力が７．５ｋＷ（フル点灯モードの５０％）、電流密度を入力電圧を調整することにより下記表１に従って制御された大きさに設定して、フル点灯モードでの点灯時間を３０秒間、スタンバイ点灯モードでの点灯時間を３０秒間、として、フル点灯モードとスタンバイ点灯モードとを交互に切り替えて点灯する寿命試験を行い、発光管に白濁が生じ、この白濁部分にクラックが発生するまでの時間を測定し評価を行った。結果を下記表１に示す。なお、ランプ点灯時においては、冷却水を５Ｌ／ｍｉｎの流量で循環させた。評価は、点灯開始からクラックが発生するまでの時間が１０００時間未満である場合を「×」、１０００時間以上、１２００時間未満である場合を「△」、１２００時間以上である場合を「○」とした。ここに、点灯開始からクラックが発生するまでの時間が１０００時間以上であれば、実用上問題のないものである。
【００２６】
【表１】
0005691417.tif 000002
【００２７】
＜実験例２＞
上記実験例１において、下記表２に従って電極の先端部の外径寸法を変更したことの他は、上記実験例１と同様の仕様を有する複数本のメタルハライドランプを作製し、各々のメタルハライドランプを備えたランプ装置を作製した。
そして、スタンバイ点灯モードにおける電流密度を、入力電圧を調整することにより下記表２に従って制御された大きさに設定したことの他は、上記実験例１と同様の寿命試験を行った。結果を下記表２に示す。
【００２８】
【表２】
0005691417.tif 000003
【００２９】
＜実験例３＞
上記実験例１において、下記表３に従って電極の先端部の外径寸法を変更したことの他は、上記実験例１と同様の仕様を有する複数本のメタルハライドランプを作製し、各々のメタルハライドランプを備えたランプ装置を作製した。
そして、スタンバイ点灯モードにおける点灯条件を、入力電流が４Ａ、入力電力が１０．５ｋＷ（フル点灯モードの７０％）、電流密度を入力電圧を調整することにより下記表３に従って制御された大きさに設定したことの他は、上記実験例１と同様の寿命試験を行った。結果を下記表３に示す。
【００３０】
【表３】
0005691417.tif 000004
【００３１】
＜実験例４＞
上記実験例１において、スタンバイ点灯モードからフル点灯モードに移行するまでに要する切り替え時間、および、フル点灯モードからスタンバイ点灯モードに移行するまでに要する切り替え時間を下記表４に従って変更したことの他は、上記実験例１と同様の寿命試験を行った。結果を下記表４に示す。評価は、点灯開始からクラックが発生するまでの時間が１２００時間未満である場合を「−」、１２００時間以上、１５００時間未満である場合を「△」、１５００時間以上、２０００時間未満である場合を「○」、２０００時間以上である場合を「◎」とした。
【００３２】
【表４】
0005691417.tif 000005
【００３３】
以上の結果より、スタンバイ点灯モードにおいては、電極先端部の基部の軸方向に垂直な断面における電流密度が０．８〜６．０Ａ／ｍｍ2 の範囲内となるよう制御された条件でメタルハライドランプを点灯させることにより、長い使用寿命が得られることが確認され、実験例２および実験例３に示す結果より、電極の先端部の外径寸法が１．１〜２．６ｍｍの範囲内となるよう構成されたものにおいて、特に有効であることが確認された。    また、実験例４の結果より、スタンバイ点灯モードからフル点灯モードに移行するまでに要する切り替え時間を０．８秒間以上とすることにより、メタルハライドランプに一層長い使用寿命が得られることが確認され、さらに、当該切り替え時間を大きく設定するに従って、メタルハライドランプの使用寿命が長くなることが確認された。
【符号の説明】
【００３４】
１０  メタルハライドランプ
１１  内管
１２  発光管
１３  封止部
１４  中央部
１５  電極
１６  電極芯棒
１６Ａ  先端部
１６Ｂ  軸部
１７  電極コイル
１８  金属箔
１９  外部リード
２０  外管
２５  ベース
２６  接着剤
Ｋ  空隙
３０  冷却機構
３１  冷却ジャケット
３５  冷却チラー
Ｗ  冷却媒体
４０  給電装置
４１  昇圧整流回路
４２  整流回路
４３  昇圧チョッパー回路
４５  交流電源
４８  制御回路
５０  フルブリッジ型インバータ回路
５５  スタータ回路
６０  制御回路
７０  電極
７１  電極芯棒
７２  電極コイル
【図１】
0005691417.tif 000006
【図２】
0005691417.tif 000007
【図３】
0005691417.tif 000008
【図４】
0005691417.tif 000009